石墨烯-植物根系相互作用背后的分子过程

最近发表在 ACS Agricultural Science & Technology 杂志上的一项研究研究了石墨烯处理对植物生长和呼吸的影响。

研究：石墨烯介导的植物根系抗氧化酶活性和呼吸。图片来源：Lidiane Miotto/Shutterstock.com

石墨烯：一种重要的纳米材料

石墨烯是一种碳纳米复合材料，具有优异的理化特性，使其成为光电子学，生物工程，先进制造，环境保护和农业生产的首选材料。

石墨烯对植物代谢，幼苗生长，生产力，产品质量和胚胎根系发育的影响是最近研究的重点。根据大多数发现，石墨烯对植物根系生长既有有益的影响，也有负面影响。

石墨烯对植物生长的积极影响

石墨烯对植物发育的影响被认为与其生物物理特征，分布技术，暴露的程度和时间以及所研究的作物类型有关。

在10-200mg / L的低浓度下，石墨烯已被证明可以改善谷物，香菜，姜茎，玉米，生菜，辣椒，毛茛，玫瑰甘草，拟南芥，甜瓜和芦荟的发育。

石墨烯可以通过各种工艺帮助植物发育。石墨烯促进根系和种子的水分吸收，因为它是一种水载体。石墨烯中介还提高了清除活性氧（ROS），降低氧化应激，增加可接近蛋白质含量和减少细胞损伤的能力。此外，石墨烯提高了肥料利用率，影响了土壤微生物的功能，间接调节了植物的发育。

石墨烯处理对植物的潜在风险

大量石墨烯会阻碍植物根系的生长和发育，因为它粗糙的边缘会切断细胞膜，危及它们的健康。

石墨烯还通过植物的根部促进镉和砷等重金属的吸收，增加其有害后果。

此外，石墨烯暴露可能会影响pH和代谢功能，在不同程度上产生氧化应激，并导致细胞死亡。这些不利的副作用突出了在石墨烯可用于农业应用之前的进一步研究。

石墨烯对根系生长的遗传效应

石墨烯在植物根部的功能过程在很大程度上是使用石墨烯处理的幼苗的代谢和形态学数据来研究的。迄今为止，尚未对石墨烯对植物根系发育的分子或遗传影响进行研究。

在这项研究中，研究人员研究了石墨烯对48种植物根系发育的影响以及石墨烯工作的化学过程。

转录组分析表明，石墨烯处理影响了植物根系的去污和葡萄糖代谢。采用紫外-可见光和拉曼光谱对石墨烯进行表征，扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）对其形貌进行了表征。

将48种大小相等的植物的幼苗分为两类。将种子在生长室的盆栽土壤中生长，并将产生的幼苗保持在受控的环境中。每周一次，将石墨烯溶液（25mg / L）喷洒在48棵植物幼苗上。

石墨烯处理60天后，用蒸馏水仔细清洗根部，用吸水纸干燥以除去多余的水分，立即储存在液氮中，并保持在-80°C进行RNA分离。

研究的重要发现

在这项研究中，石墨烯用于处理48个植物胚胎根，并被证明在65%的被子植物中增加根长，在22%的被子植物中阻碍根长。研究人员使用RNA测序生成了石墨烯暴露后32种植物根部基因表达的转录图。

鉴定出六类基因，这些基因在石墨烯处理的植物根系中表达不同。其中，石墨烯暴露后，解毒代谢相关基因、内吞作用相关基因、葡萄糖和蔗糖代谢相关基因以及呼吸代谢相关基因被激活，显示出阳性和抑制作用。

酶活性的差异导致线粒体呼吸增加或降低，植物根系延伸增加或降低。这些发现为植物根系对石墨烯的敏感性背后的分子过程提供了见解。

参考

Chen, Z. et al. (2022). Graphene-Mediated Antioxidant Enzyme Activity and Respiration in Plant Roots. ACS Agricultural Science & Technology. Available at: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsagscitech.2c00074